高空强爆炸X射线辐照铝靶板动响应的数值模拟

余润洲; 张昆; 汤文辉

doi:10.11883/bzycj-2024-0082

高空强爆炸X射线辐照铝靶板动响应的数值模拟

doi: 10.11883/bzycj-2024-0082

国防科技大学理学院，湖南长沙 410073

详细信息

作者简介:
余润洲（2001－　），男，硕士研究生，yurunzhou19@nudt.edu.cn

通讯作者:
张　昆（1989－　），男，博士，讲师，zhangkun1989@nudt.edu.cn

中图分类号: O347.3; O434.19
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出版历程
- 收稿日期: 2024-03-27
- 修回日期: 2024-05-30
- 网络出版日期: 2024-05-30
- 刊出日期: 2025-01-01

A dynamic response simulation of aluminum plate target induced by high-altitude nuclear detonation X-ray

College of Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, Hunan, China

摘要

摘要: 高空强爆炸所产生的X射线辐照至导弹壳体结构时产生的汽化反冲冲量（blow-off impulse，BOI）及热激波，能够引起目标的动响应破坏。现有的Whitener、BBAY和MBBAY理论模型仅能给出一维近似BOI值，无法处理复杂三维情况并给出对应的热激波峰值压力p，因此，对该问题的研究非常依赖数值计算。利用X射线热激波数值计算程序TSHOCK3D对矩形铝靶板在0.1~3.0 keV范围的普朗克黑体温度和220~400 J/cm²辐射能通量下的汽化反冲冲量及峰值压力进行计算，并与理论模型作了对比分析。结果表明，TSHOCK3D程序可以得到可靠的结果，正辐照靶板中心处近似一维工况下的BOI与Whitener、BBAY和MBBAY三个理论模型下的BOI基本相符。通过单变量分析可得，靶板中BOI和峰值压力p均与入射能通量呈近似线性关系；而对于不同的黑体温度，BOI和峰值压力则在1.5~2.0 keV处存在极大值。
- X射线 /
- 汽化反冲冲量 /
- 热激波 /
- TSHOCK3D
Abstract: When X-rays generated by high-altitude nuclear detonation irradiates on the shell structure of missile, blow-off impulse (BOI) and thermal shock waves generated may produce dynamic response and damage on it. The existing three one-dimensional theoretical models, Whitener, BBAY, and MBBAY, can only provide approximate BOI values and accurate results of peak pressure and other information are inaccessible. Solving this problem requires numerical calculations based on real physical laws. The numerical simulation program TSHOCK3D for X-ray thermal excitation wave is used to calculate the BOI and peak pressure to make a comparative analysis. An aluminum plate with a length and width of 4 mm and a thickness of 1 mm is set as the target for X-ray radiation. The range of the working conditions is 0.1−3.0 keV for the Planck’s blackbody temperatures and radiant energy flux are in the range of 220−400 J/cm². The results indicate that the TSHOCK3D can give the results effectively and reliably. The simulation results are consistent with the theoretical models mentioned above. The BOI and peak pressure are approximately linear with the energy flux, while the maximum value exist for different blackbody temperatures.
- X-ray /
- blow-off impulse /
- thermal shock wave /
- TSHOCK3D

HTML全文

随着脉冲功率技术和高功率激光技术的发展，采用脉冲大电流和高功率脉冲激光对物质进行无冲击斜波压缩的实验技术在过去的十余年中获得了长足的进步^[1-5]，并成功应用于极端条件下(高压、高应变率)的状态方程^[6-10]、高压强度^[11-15]、相变^[16-18]等材料物性的研究。在斜波压缩实验中，可测量的物理量主要是台阶靶不同Lagrange位置的样品界面粒子速度，如何通过界面粒子速度获取实验材料的动力学响应，成了此类实验必须解决的问题。

针对斜波压缩实验数据为台阶靶样品自由面或样品/窗口界面速度历史的情形，多种方法(Lagrange方法^[19]、反积分方法^[20-21]和特征线方法^[22-23])被提出用于获取材料的压力-比容关系。反积分方法和特征线方法都是先假定材料参数，以实验测量的界面速度作为输入在时间轴逆向求解，其中反积分还要以不同厚度样品的加载面加载历史一致作为收敛的单一判据，因此对考虑诸如强度等力学特性的材料，需要预先设定的模型参数越多，该方法的使用难度就越大；此外，反积分方法和特征线方法要求材料模型参数的初设值与其真实值的偏差不能太大，否则会出现计算不收敛或收敛参数无意义的情况。采用Lagrange方法的优点是不需对材料参数做任何假定，可用于处理材料的复杂力学响应，但难点在于如何获得准确的原位粒子速度剖面。早期的工作采用自由面速度近似法^[19]计算原位速度；后来Volgler等人发展了增量阻抗匹配法^[24]；2013年，J.L.Brown等提出了转换函数法(transfer function method，TFM)^[25]。数值计算表明，采用转换函数方法可准确获得斜波压缩实验中的加载-卸载原位速度剖面，但前提是使用该方法过程中数值模拟的界面速度曲线和实验测量的速度曲线尽可能的一致。

为避免J.L.Brown等提出的使用转换函数方法中需进行高精度磁流体数值计算的需求，本文中提出一种联合使用正向Lagrange方法和转换函数来处理斜波压缩实验数据的新途径，分析转换函数方法的使用条件，并在此基础上讨论转换函数方法在斜波压缩下强度实验数据处理中的应用。

1. Lagrange正向数据处理方法

在Lagrange坐标下，一维等熵运动中的质量、动量和能量守恒方程可表达为^[19]:

$\left\{ \begin{array}{l} {{l}_{2}}/\partial \sigma /\partial h=-{{\rho }_{0}}\partial u/\partial t \\ ({{l}_{1}}\partial u/\partial h=-\partial \varepsilon /\partial t \\ (\sigma /{{\rho }_{0}})\left( \partial u/\partial h \right)=-\partial e/\partial t \\ \end{array} \right.$

(1)

式中：σ为应力(压力为正号)，ε为应变，ρ₀为初始密度，u为粒子速度，e为比内能，h、t为Lagrange坐标和时间，Lagrange声速的定义C_L=Δh/Δt，上式给出等熵线上扰动形成的状态增量形式为：

$\left\{ \begin{array}{l} {{l}_{2}}/\Delta \sigma =-{{\rho }_{0}}{{C}_{\text{L}}}\left( u \right)\Delta u \\ ({{l}_{1}}\Delta u=-{{C}_{\text{L}}}\left( u \right)\Delta \varepsilon \\ \Delta e=\sigma \Delta \varepsilon /{{\rho }_{0}} \\ \end{array} \right.$

(2)

由此可计算材料的应力-应变关系为：

$\Delta \sigma ={{\rho }_{0}}C_{\text{L}}^{2}\Delta \varepsilon$

(3)

采用Lagrange方法处理斜波压缩实验数据时，基本处理流程见图 1。在同一发实验中，测量不同厚度样品的自由面或样品/窗口界面粒子速度，将实验测量的界面速度转换为原位速度(in-situ velocity)后，再对不同厚度样品的速度-时间曲线做差，进而得出Lagrange波速与粒子速度关系。通过式(2)，可计算给出整个加载-卸载过程的C_L-u、σ-u、σ-ε曲线。显而易见，Lagrange正向数据处理的难点在于如何准确还原不同厚度样品的原位粒子速度。

图 1 Lagrange正向数据处理流程图

Figure 1. Flow chart of Lagrangian forward data processing

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2. 转换函数方法

转换函数方法(TFM)的物理思想为：假定数值计算可以准确的表征样品后界面反射波与前界面后续加载波的相互作用，采用数值计算给出后界面速度和原位速度之间的映射关系，将该映射关系对实验测量的速度剖面进行反演，即可获得实验对应的原位速度。该方法自2013年提出以来，在Sandia实验室迅速获得广泛应用^{[8, 14, 25-26]}。和自由面近似以及增量阻抗匹配方法相比，转换函数方法中可以考虑界面反射波与后续加载波的相互作用，准确的将非简单波情形还原为简单波情形。

转换函数方法的使用步骤可归纳如下。

(1) 采用数值计算，获得样品/窗口界面的粒子速度剖面u_wc(t)和相同位置的原位速度剖面u_ic(t)，要求计算的u_wc(t)尽可能的和实验测量的样品/窗口界面速度剖面u_we(t)接近。

(2) 寻找u_wc(t)和u_ic(t)之间的转换函数f(t)。先将u_wc(t)和u_ic(t)变换到频率域，给出U_wc(ω)和U_ic(ω)，计算U_wc(ω)和U_ic(ω)之间的关联函数F(ω)= U_ic(ω)/ U_wc(ω), 再将F(ω)转换到时间域，即为u_wc(t)和u_ic(t)之间的转换函数f(t)。

(3) 利用转换函数f(t)对实验测量的样品/窗口界面的粒子速度剖面u_we(t)做卷积，给出实验对应的原位粒子速度剖面u_ie(t)：

${{u}_{\text{ie}}}\left( t \right)={{u}_{\text{we}}}\left( t \right)*f\left( t \right)=\int_{-\infty }^{+\infty }{{{u}_{\text{we}}}\left( t\text{-}\tau \right)f\left( \tau \right)\text{d}\tau }$

(4)

具体计算过程中，可先计算频率域的实验原位速度以避开卷积的计算：

${{U}_{\text{ie}}}\left( \omega \right)={{U}_{\text{we}}}\left( \omega \right)\cdot F\left( \omega \right)$

(5)

再将U_ie(ω)做傅里叶逆变换，还原为实验对应的原位粒子速度剖面u_ie(t)。

图 2是我们采用数值试验，对转换函数法在处理复杂结构波形时的验证结果。先设定材料参数和加载波形，分别计算铜/LiF窗口界面速度曲线和原位速度曲线，再以计算的界面速度曲线作为“实验”的速度曲线并对其进行转换函数还原，将还原结果和计算的原位结果进行比较，发现还原的结果和计算结果完全吻合，表明该方法对复杂结构的速度波形具有良好的适用性。

图 2 转换函数方法的验证

Figure 2. Validation of transfer function method

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在实际过程中，考虑到材料强度、粘性耗散等因素，很难做到计算的界面速度波形和实验结果完全吻合，因此需对转换函数方法的健壮性进行考核，即当计算的速度波形和实验速度波形存在一定的偏差时，采用转换函数计算的原位速度是否可靠。图 3给出了采用未考虑强度效应的计算波形对考虑了强度效应的“实验”波形进行近似，转换函数方法计算的原位速度波形和真值的比较。由于强度效应只是导致计算和“实验”速度波形在峰值位置出现较明显的偏差，因此对还原的原位速度影响不大。图 4分别为计算的速度幅值相对“实验”结果偏差10%和计算波形的脉宽相对“实验”结果偏差5%时，采用转换函数方法计算的原位粒子速度与真值的比较。比较结果表明速度偏差10%，脉宽偏差5%时，转换函数方法仍具有较好的适用性。此外，我们还计算了不同窗口阻抗匹配以及自由面情形下的原位速度还原，均获得了满意的结果。

图 3 不考虑强度效应时的转换函数方法健壮性验证

Figure 3. Robustness validation of transfer function method by ignoring the strength effect

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图 4 转换函数方法健壮性验证

Figure 4. Robustness validation of transfer function method

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3. 斜波压缩实验数据处理

以磁驱动斜波压缩强度测量实验结果为例，联合使用正向Lagrange方法和转换函数方法对实验结果进行分析，分析结果如图 5所示。图 5(a)给出了台阶靶的自由面速度曲线，对实验测量的自由面速度曲线做1/2近似，以此获得的原位速度曲线做正向数据处理，给出C_L-u曲线如图 5(b)所示。由图 5(b)可知，给出加载段体波声速的线性拟合为C_L= C₀+2λu=3.34+2.55u，由此给出Grüneisen状态方程的C₀=3.34 km/s，λ=1.27，将其带入反积分程序^[21]，计算加载界面的压力和速度历史，并给出Grüneisen状态方程的参数优化值。以反积分提供的加载界面压力(或速度)边界为基础，正向计算给出样品自由面的速度剖面，要求计算的界面速度曲线和实验结果尽量的接近；同时正向计算可给出样品厚度位置的原位速度剖面，计算结果如图 5(c)所示。再根据计算的界面速度和原位速度，采用转换函数方法，对实验测量的自由面速度进行还原，获得的原位速度如图 5(d)所示。利用实验结果的原位速度，正向计算给出加载-卸载过程中材料的C_L-u曲线如图 5(e)所示。

图 5 Lagrange方法和转换函数方法在强度实验数据分析中的应用

Figure 5. Application of Lagrangian method and transfer function methods in experimental strength data analysis

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由图 5(e)可见，采用转换函数方法进行数据处理获得的声速在加载末期出现了下降，这体现了加载后期应变率的剧烈变化以及加载波形衰减对声速计算的影响。采用转换函数方法计算的卸载声速相对自由面1/2近似计算结果偏小约8%，转换函数方法计算的卸载时弹性纵波声速的最大值和理论结果更为接近。根据实验测得的加载-卸载过程中拉氏声速的变化，即可参照文献[15]计算斜波压缩下的材料强度。

4. 结论

将Lagrange方法和转换函数方法在斜波压缩实验数据的正向处理中成功进行了应用，建立了斜波压缩实验数据处理的新流程，获得了可靠的实验结果。该数据处理方法的建立，将有效减小以往斜波压缩实验强度数据的计算误差，对强度实验数据的分析具有重要的作用。

图 1 X射线热激波产生原理示意图^[1]

Figure 1. Schematic diagram of X-ray thermal shock wave generation^[1]

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图 2 计算流程图

Figure 2. Flowchart of the simulation

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图 3 靶板及X射线载荷示意图^[16]

Figure 3. Schematic diagram of target and X-ray loading^[16]

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图 4 100 ns时的能量沉积云图

Figure 4. Energy deposition contour at 100 ns

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图 5 二维及三维压力云图

Figure 5. 2D and 3D pressure contours

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图 6 TSHOCK3D计算结果与理论模型结果的对比

Figure 6. Comparison between TSHOCK3D calculation and theoretical models

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图 7 BOI与峰值压力计算结果

Figure 7. Results of BOI and peak pressure

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图 8 BOI和峰值压力随能通量的变化曲线

Figure 8. BOI and peak pressure varying with flux

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图 9 BOI和峰值压力随黑体温度的变化曲线

Figure 9. BOI and peak pressure varying with temperature

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表 1 不同核武器爆炸的α_i、 $kT_i$ 虚拟参考值^[2]

Table 1. Reference values of $\alpha _i$ and $k{T_i}$ for different nuclear explosions^[2]

爆炸类型	i	α_i	kT_i/keV
裂变武器	1	1.00	1.0
普通热核武器	1	0.30	0.8～1.0
	2	0.67	3.0～4.0
	3	0.03	12.0～14.0
增强辐射武器	1	0.05	0.8～1.0
	2	0.70	3.0～5.0
	3	0.25	13.0～14.0

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表 2 铝的相关参数^[19]

Table 2. Parameters of aluminum^[19]

弹性参数			塑性参数	物态方程参数
E/GPa	G/GPa	v	${\sigma }_{{\mathrm{y}}}$ /GPa	${\rho }_{0}$ /（g·cm⁻³）	${c}_{0}$ /（m·s⁻¹）	s	E₀/（kJ·g⁻¹）	${\varGamma }_{0}$
71.1	27.1	0.33	0.5	2.7	5400	1.35	10.89	2.13

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施引文献

期刊类型引用(2)

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2.	王桂吉，罗斌强，陈学秒，张旭平，种涛，蔡进涛，谭福利，孙承纬. 磁驱动平面准等熵加载装置、实验技术及应用研究新进展. 爆炸与冲击. 2021(12): 97-118 . 本站查看